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1 Institut Supérieur dInformatique Année Universitaire 2008- 2009 Chapitre 3.

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1 1 Institut Supérieur dInformatique Année Universitaire Chapitre 3

2 Plan Nature physique de limage 1. Qu'est-ce que la lumière? 2. La perception visuelle chez l'être humain 3. Synthèse de couleurs Additive Soustractive Modélisation et stockage de l'image

3 Les 2 natures de la lumière Ondulatoire Loptique ondulatoire considère la lumière comme une onde électromagnétique. Explique les phénomènes affectant les ondes : interférences, diffraction Corpusculaire La théorie corpusculaire considère la lumière comme un flux discontinu de photons. Son énergie est liée à la fréq de l'onde : E = hν (h, constante de Planck ; v, fréq) Explique les observations relatives à l'émission et à l'absorption de la lumière par la matière. Vitesse de déplacement : ~ km/s. Caractéristiques : Fréquence. ~ Ghz lg donde : 500nm Intensité.

4 Spectre de la lumière Couleur dépend de la longueur d'onde Couleur (notion perceptive) lg donde (notion physique) Attention : l'œil ne distingue pas un Y monochromatique (une seule lg d'onde) d'une composition de G et de R. Cest lillusion qui permet d'afficher du Y sur les écrans PC Longueur d'onde (nm)Couleur < 380rayonnements ultraviolets violet bleu vert jaune orange rouge > 760rayonnements infrarouges 380nm 760nm

5 La perception visuelle L'oeil humain : Grâce à la cornée et à l'iris limage se forme sur la rétine Rétine : cônes + bâtonnets Bâtonnets : perçoivent la luminosité et le mouvement Cônes : différencient les couleurs 3 types : percevoir le bleu, le vert et le rouge. Perception entre 400 et 700 nm. Si un type de cônes manque : daltonisme.

6 Sensibilité de l'oeil beaucoup + grande aux variations d'intensité (luminance) qu'aux variations de couleur (chrominance) Luminance (luminance) : % de N ou de B dans la couleur désirée, brillance de la couleur, aspect clair ou sombre Chrominance : Teinte (hue) : détermine la couleur souhaitée à partir des couleurs à disposition (R,G,B,C,J,M); correspond à la couleur de base Saturation (saturation) : mesure l'intensité ou la pureté d'une couleur, % de couleur pure par rapport au B (caractère vif ou terne/ couleur vive ou pastel), (

7 Synthèse additive Calcul fait par addition des longueurs d'onde de sources lumineuses R, G, B : Toutes les couleurs peuvent être synthétisées en utilisant les 3 sources monochromatiques correspondant aux maxima de sensibilité des 3 types de cône de la rétine de lœil humain Modèle RGB Mode de synthèse adapté pour les sources lumineuses (tubes cathodiques) Exemple: 2 composantes G et R d'un moniteur d'ordinateur sont allumées quand les phosphores associés sont frappés par les électrons les couleurs des phosphores juxtaposés se superposent en raison de la mauvaise résolution de l'œil on voit du jaune blanc Mélange des couleurs par addition

8 Synthèse soustractive Calcul fait par soustraction des longueurs d'onde de la lumière Mode de synthèse adaptée dans le mélange de pigments, le filtrage et labsorption (imprimerie, peinture et art du vitrail) Exemple : L'herbe et les feuilles paraissent vertes car elles absorbent le complémentaire du vert ( violets et ultraviolets). Ce sont les ondes utilisées dans la photosynthèse. L'encre filtre la lumière réfléchie par le papier blanc Lorsquon mélange 2 couleurs au pinceau, la couleur obtenue est le résultat d'une synthèse soustractive La couleur vue est la lumière non absorbée Cyan, Magenta, Yellow : C R, M G, Y B alors que B R & G, R G & B, G B & R Ce sont les 3 couleurs complémentaires de RGB. Modèle CMY Mélange des couleurs par soustraction noir Pigment jaune absorbe le bleu W(R+G+B) Y=R+G

9 Plan Nature physique de limage Modélisation et stockage de l'image 1. Chaîne de limage 2. Image vectorielle 3. Image bitmap Espace des couleurs et conversion Codage des images Méthode simple Méthode par palette Avantages/limitations Format : BMP, TIFF, GIF, PNG, … Format : JPEG

10 Chaîne de limage Acquisition/création : numérisation (scanners, appareils photos & caméscopes numériques, carte dacquisition vidéo )/synthèse (via souris, tablettes graphiques ou par modélisation 3D) Codage Perte d'information envisageable à la compression Stockage (disquette, disque dur, CD-ROM...) Traitement : modifier la taille, la couleur, ajouter ou supprimer des éléments, appliquer des filtres,… Transmission Échange de graphiques, de dessins, d'images. Prolifération de formats, incompatibilités fréquentes. Restitution : Affichage, projection, Impression

11 Format des images Les images vectorielles : On décrit l'image comme une association dobjets graphiques simples (droites, ellipses,...). Formats SVG, SWF,... Les images bitmap : Image pixélisée. On indique la couleur de chaque pixel Formats BMP, GIF, JPEG,...

12 Image Vectorielle Images décrites comme l'association dobjets graphiques simples (droites, ellipses...). 3 types de données graphiques : Points isolés => objets ponctuels. Lignes isolées => objets linéaires. Surfaces isolées => objets surfaciques. Méthodes de représentation vectorielle : Fil de fer 2D. Polyédrique. Codage des contours

13 Redimensionnement Pas de perte de qualité, les courbes sont lissées quelque soit l'échelle d'affichage Bitmap Vectorielle

14 Le format WMF WMF (Windows Meta File) format vectoriel de Windows, utilisé par Microsoft Draw, et anciennes versions de Word, Excel. Format mixte, pouvant contenir des informations sous forme matricielle Un fichier WMF contient : Une suite d'objet (cercle, carre, bitmap,...). Chacun décrit par un entête. Peut contenir jusquà objets

15 Autres formats vectoriels SVG (Scalable Vector Graphics) : Spécification W3C basé sur XML pour gérer les images vectoriels notamment sur le web. Supporte les animations et le son. Format du futur mais début difficile : Pas dimplémentation native dans les navigateurs web; développement en cours. Plug-in dAdobe : Editeurs libres : Sodipodi et OpenOffice Draw Apparition de banques de clipart sur l'Internet. AI (Adobe Illustrator) Format de Adobe, très populaire EPS (Encapsuled PostScript) : Format mixte universel de Adobe basé sur postscript mais contenant une image de prévisualisation vectorielle ou bitmap. PDF (Portable Document Format): Format mixte universel de Adobe dérivé de PostScript et préservant la mise en forme, les polices, les couleurs et les graphiques du document source. PICT (Picture) : Format par défaut de Mac OS. SWF (Flash) : Format danimation vectorielle propriétaire de Macromedia destiné au web, très populaire. Supporte les animations et le son. DXF (Drawing eXchange Format): Format de AUtodesk utilisé en DAO ( logiciel libre QCad ) CGM (Computer Graphics Metafile) : norme ISO; Format mixte utilisé en DAO

16 Avantages Codage riche prenant en compte la sémantique Codage compact : fichiers de taille réduite Redimensionnement sans perte de qualité Retouches aisées car éléments de l'image indépendants Animation + simple grâce aux vecteurs Traduction aisée en bitmap Recherche de texte, dobjets Lien hypermédia sur des objets, interactivité Génération automatique à partir de données XML,…

17 Limitations Inutilisables pour des photographies Pas adaptée aux images complexes avec bcp d'objets de petites tailles Bcp de formats industriels, non standardisés, non reconnus par les navigateurs web Impossible de transformer un bitmap en vecteur

18 Image bitmap Pixelmap, matricielle, raster On indique la couleur de chaque pixel. Pixel (PICture ELement) : + petit élément constitutif d'une image numérique Codage des couleurs: Choix du modèle RGB Certains formats supportent le modèle CMYK. Manipulation et restitution utilise dautres modèles Critères de qualité : couleur & définition Définition (Ordinateur)Résolution (Scanner, imprimante) Taille de limage en nb de pixels Nb de points par unité de longueur (2,54cm) (unité dpi/ppp : point par pouce) 300dpi 300 points sur une ligne de 2,54cm

19 Espace des couleurs Représentation mathématique d'un ensemble de couleurs. Il en existe plusieurs : Le codage RGB (Red, Green, Blue). Le codage CMY (Cyan, Magenta, Yellow) Le codage CMYK Le codage HSL (Hue, Saturation, Luminance). Le codage YUV : vidéo analogique (PAL et SECAM). Y représente la luminance (l'information en N&B), Cb et Cr la chrominance. Permet de transmettre des infos colorées aux TV couleurs, en restant compatible avec les TV N&B affichant en niveau de gris. Y = 0,299 * Rouge + 0,587 * Vert + 0,114 * Bleu Cr= Rouge – Y Cb= Bleu - Y Le codage YIQ Le codage CIE

20 Modèles RGB, CMY et CMYK Modèle RGB La couleur est définie comme une somme pondérée des couleurs primaires. Choix des couleurs primaires du système : RGB : Red, Green, Blue Modèle CMY La couleur est définie comme différence pondérée entre le blanc et les couleurs primaires. Choix des couleurs primaires du système : CMY : Cyan, Magenta, Yellow Modèle CMYK Extension du modèle CMY En pratique, le noir n'est pas tout à fait noir. Ajout d'une composante "noir pur". CMYK : Cyan, Magenta, Yellow, BlacK. Possibilité de remplacer les 3 encres couleurs par du noir pour réduire la consommation d'encre

21 Modèle naturel HSL Modèle de représentation proche de la perception physiologique de la couleur par l'oeil humain. Le modèle RGB ne permet pas de sélectionner facilement une couleur : éclaircir une couleur augmenter proportionnellement la valeur des 3 composantes. HSL (TSL en français ) Hue Saturation Luminance

22 Système de représentation Équation de conversion entre RGB et CMY Exemple : Convertir le Blanc de RGB (1,1,1) à CMY (0,0,0) et vice versa. Conversion CMY vers CMYK : même principe. C = 1 – RM = 1 – GY = 1 – B R = 1 – CG = 1 – MB = 1 - Y

23 Codage des images Coder une image Le tableau de pixels. La couleur des pixels : Modèle de représentation Couleur des pixels : 2 méthodes Méthode simple (pixel couleur) Méthode par palette (pixel indice dans la palette)

24 Méthode simple Pour chaque pixel, chaque composante RGB occupe n bits. Pixel occupe 3 x n bits. Pixel peut avoir 2 3n couleurs. Mode True Color, Couleurs vraies : n = 8 24 bits 16 millions de couleurs. Également Mode 32 bits : Ajout dune 4 ième composante sur 8 bits :le canal alpha. gére la transparence ou la texture des points. évite les effets de "marches d'escalier". Mode N&B: 1 bit/pixel 2 couleurs possibles (N ou B) Mode 16 couleurs/niveaux de gris Mode 256 couleurs/niveaux de gris : 1 octet/pixel Limitations : Toutes les nuances ne sont pas utilisée. Pas assez de nuances pour une teinte donnée. Ex. : image sur la mer :bcp de nuances de B; peu de R.

25 Méthode par palette Méthode par palette (colormap) choisir les couleurs disponibles. Image en couleurs indexées La couleur de chaque pixel : Est codée comme une référence dans une palette. La palette contient les composantes RGB de la couleur. On obtient alors : N couleurs parmi 2 3M possibles. N = nombre d'entrées dans la palette. M = nombre de bits utilisés pour coder une composante d'une couleur dans la palette.

26 Taille d'une image Taille brute : sans compression. Taille = X. Y. n. X = nombre de colonnes. Y = nombre de lignes. n = nombre d'octets nécessaires pour coder un pixel. Exemple d'une résolution de 1024 x 768. Nombre de couleursTailleEn octetsEn Ko Noir et BlancX*Y*(1/8) Ko Palette de 16 couleursX*Y*(1/2) Ko Palette de 256 couleursX*Y* Ko True Color, 16 millions de couleurs. X*Y* Ko

27 Avantages Adapté aux applications orientées images Qualité photographique

28 Limitations Codage "pauvre" de l'information. Pas de distinction d'objet dans l'image. Taille des fichiers importante. Traitements d'image longs.

29 Avantages & limitations (2/2) Limitations (suite) : L'agrandissement provoque un effet de mosaïque : La création d'une image "à la souris" est difficile. Usage conseillé d'un périphérique de numérisation : scanner, digitaliseur, appareil photo numérique... Retouches délicates : effacer un élément de l'image crée un "trou".

30 Formats d'images bitmap Nombreux Caractéristiques Nombre de couleurs. Méthode de compression utilisée. Contexte d'utilisation. Comparaison : taille des fichiers pour les images NomRésolutionDéfinitionNombre de couleurs Image Droopy1024x76872 DPI256 Trounesol1600x DPI16 millions

31 Format BMP Défini par Microsoft pour Windows Caractéristiques 1, 4, 8 ou 24 bits : jusqu'à 16 millions de couleurs. Compression : sans perte, RLE (rarement). Fichiers de taille importante. Reconnu par une majorité de logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy Ko Droopy256RLE613 Ko Tournesol16 millions5363 Ko Tournesol16 millionsRLE1745 Ko

32 Format TIFF TIFF (Tagged Image File Format). Origine Aldus et Microsoft. Standard de codage des images scannées; PAO, infographie, bureautique pour les images au trait (cliparts, FAX). Puissant mais complexe à gérer. Possibilité d'adaptation et d'évolution. Différentes versions incompatibles! Caractéristiques : Codage RVB, CMJN, couleur indexées, niveau de gris Compression : RLE, LZW, JPEG, compression FAX, ou aucune. Très bonnes performances en compression d'images noir et blanc. Fichiers assez gros. Reconnu par une majorité de logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256Aucune771 Ko Droopy256LZW364 Ko Droopy2Huffman156 Ko Tournesol16 millionsAucune5364 Ko Tournesol16 millionsLZW3395 Ko Tournesol2Huffman462 Ko

33 Format GIF Format GIF (Graphic Interchange Format) : Compuserve, 1987 : GIF87a. Caractéristiques 256 couleurs parmi 16 millions. Compression sans perte LZW, efficace s'il y a des zones homogènes. GIF89a : possibilité de transparence, et d'animation. GIF89a : possibilité d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Très utilisé : Reconnu par tous les logiciels ou presque LE format du Web avec JPG. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256LZW353 Ko Tournesol256LZW1203 Ko

34 Format PNG PNG (Portable Network Graphic). Pour remplacer le GIF (devenu payant!!!). Le futur format du Web? Caractéristiques : 16 millions de couleurs. Compression sans perte LZW. Possibilité de transparence (niveau de transparence). Possibilité d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Pas d'animation. Pas supporté pas tous les navigateurs web ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256LZW310 Ko Tournesol256LZW2723 Ko

35 Format JPG JPG ou JPEG (Joint Photographic Experts Group) Comité créé en 1986 Norme adoptée en 1992/93 (ISO/CEI ou UIT-T Recommandation T.81. ) JPEG 2000 : compression par ondelettes. Caractéristiques 16 millions de couleurs. Compression avec perte Possibilité d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Pas danimation, pas de transparence Très utilisé Reconnu par tous les logiciels ou presque LE format du Web avec GIF ImageNb couleursCompressionTaille Droopy16 millionsTaux 1451 Ko Droopy16 millionsTaux Ko Droopy16 millionsTaux 20119Ko Droopy16 millionsTaux 9917Ko Tournesol16 millionsTaux 1897 Ko Tournesol16 millionsTaux Ko Tournesol16 millionsTaux Ko Tournesol16 millionsTaux 9940 Ko

36 Contraintes dexploitation fixé par le comité JPEG Modes de compression avec ou sans dégradation Implémentation hard ou soft Réseau de transport Numéris (64 kbits/s) Affichage séquentiel ou progressif Objectifs fixés ambitieux 2.25 bits/pixel : qualité de loriginale 0.75 bit/pixel : qualité excellente 0.25 bit/pixel : qualité moyenne 0.08 bit/pixel : reconnaissable ! JPEG compression

37 6 étapes Format des données compressées et schéma de dé/codage. Algorithmes de dé/compression proposés mais non normalisés.

38 JPEG Découpage de limage (1) & transformation des couleurs (2) Découper limage en M carreaux f i (x,y) de 8 x 8 ou 16x16 pixels les matrices doivent être carrées petit bloc temps de calcul raisonnable JPEG peut coder les couleurs sous plusieurs modèles, mais meilleure compression avec codage de type luminance/chrominance (YUV) Oeil + sensible à luminance quà chrominance

39 JPEG Sous échantillonnage (3) Exploiter la faible sensibilité de l'œil à la chrominance sous échantillonner les signaux de chrominance sous échantillonner à 4:4:4, 4:2:2, 4:1:1

40 JPEG DCT (4) Discrete Cosine Transform Appliquée sur les matrices Y, Cb et Cr Sépare les basses et les hautes fréquences présentes dans l'image Même principe que la transformée de Fourrier Décomposition de la fonction f(x,y) dans une base de N*N fonctions dont la somme pondérées = f(x,y) Calcul des coefficients C(u,v) 1 si w [1,N-1] si

41 JPEG DCT (4) Fonction 2D Coefficient DC = valeur moyenne du bloc : cest le plus important Coefficients AC = puissance spectrale pour chaque fréquence spatiale.

42 DCT JPEG DCT (4) C

43 JPEG Quantification (5) Introduit les principales pertes La DCT est conservatrice si on omet les erreurs darrondis. Réduire le nb de valeurs correspondant aux amplitudes. Hautes fréquences = faibles amplitudes peu sensible pour l'œil éliminées. Utilisation dune matrice Q (u,v) qui définit le niveau de quantification pour chaque fréquence Moins de niveau pour les matrices de chrominance que pour la luminance Les tables doivent être transmises au décodeur

44 JPEG Quantification (5) C C * =

45 Codage RLE, DPCM & Huffman (6) RLE zigzag pour les AC dun carreau Dans notre exemple RLE sur : 0, -2, -1, -1, -1, 0, 0, -1, EOB (End Of Block) 0, -2, #3 -1, #20, -1, EOB (End Of Block) Économie de 3 valeurs Compression différentielle DPCM des cœfficients DC Huffman sur les suites de DC et AC encodés Les tables doivent être transmises au décodeur

46 JPEG Décompression Dans notre exemple Résultat : Erreur : e(x,y) Amplitude max :5 Moyenne : 1.6 Moyenne normalisé 1% (1,6/150)

47 Autres formats PCX (PiCture eXchange). Environnement PC (mode CGA). 256 couleurs. Compression RLE, adapté à de faibles nombres de couleurs. PICT QuickDraw. Traite aussi le vectoriel. Spécifique à Macintosh. FAX Transmission de documents. Codage binaire (noir et blanc). Compression RLC puis type Huffman. TGA Créé par Truevision (cartes Targa et Vista). Très puissant (comme TIFF). Peu connu. Compression RLC. Palettes graphiques haut de gamme (PC).

48 Exemple de dégradation JPG Taux 1Taux 10Taux Ko457 Ko346 Ko Taux 50Taux 75Taux Ko119 Ko40 Ko

49 Taux de compression JPG Droopy, compression 10 (159 Ko) Droopy compression 20 (119 Ko )

50 Récapitulatifs Pour Droppy Compression sans perte : GIF & PNG. Compression avec pertes : JPG. FormatNb couleursCompressionTaille DroopyTaille Tournesol BMP Ko5363 Ko BMP256RLE613 Ko1745 Ko TIFF Ko5364 Ko TIFF256LZW364 Ko3395 Ko TIFF2Huffman156 Ko462 Ko GIF256LZW353 Ko1203 Ko PNG256LZW310 Ko2723 Ko JPG16 millionsTaux 1451 Ko897 Ko JPG16 millionsTaux Ko457 Ko JPG16 millionsTaux Ko346 Ko JPG16 millionsTaux 9917 Ko40 Ko Pour Tournesol Compression sans perte : GIF, mais 256 couleurs. PNG, mais compression insuffisante. JPG !!! Compression avec pertes : JPG


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